[发明专利]铁-锰-铬-铝-碳系反铁磁性定膨胀合金

说明书

本发明属于一种新型反铁磁性定膨胀合金及其制造方法。它可用于制作精密机械部件及仪器中要求具有一定膨胀系数的元件或与某种元件进行匹配的元件。

目前常用于制作精密机械或仪器的定膨胀合金主要是含Ni为40-55%的Fe-Ni基合金，随着合金成分的变化，其273-373K的平均线膨胀系数ā在7-11×10^-6/℃之间。此合金系已在“精密合金及粉末冶金材料”一书（机械工业出版社1982年出版）及早已公开的资料中报道。但这类Fe-Ni系定膨胀合金是铁磁性的，不能用于需要无磁性或不导磁的条件。一般Fe-Cr-Ni系奥氏体钢如1Cr18Ni9Ti虽然是低磁性，但其线膨胀系数（20℃-100℃间ā为16.5×10^-6/℃）又过大。日本专利No.52-21968，1977所公布的5.5%Fe-0.5%Mn-Cr的铬基反铁磁因瓦合金虽无磁性，但其线膨胀系数（低于4×10^-6/℃）又太小。非专利文献如日本的物理学报 21卷 1966年 第1860页（J.Phys.Soc.Japan，21，P1860，1966）曾报道 过含Mn量为25-40%的Fe-Mn合金在其反铁磁转变温度T_N以下，虽具有较低的热膨胀系数，但这种Fe-Mn合金的奥氏体不稳定，在低温或形变时有γ→ε马氏体相变，且耐腐蚀性能及加工性能均很差，也不能用作定膨胀合金。所以，现在缺少可供工业应用的中等膨胀系数（ā＝8-14×10^-6/℃）的无磁性定膨胀合金。

本发明的目的在于提供一种无磁性的γ-Fe-Mn-Cr-Al系反铁磁性定膨胀合金。通过其规定成分范围内的成分配比的组合，使其线膨胀系数ā在8-14×10^-6/K之间变化，并且具有稳定的奥氏体组织与必要的耐腐蚀性能，以获得进行工业化生产与应用所需的综合工艺性能。

本发明是利用发明人研究Cr与Al对γ-Fe-Mn合金的顺磁-反铁磁性转变的影响及Cr、Al可以稳定奥氏体与提高耐腐蚀性能的研究结果而完成的。在温度低于合金的反铁磁转变温度T_N时，由于顺磁-反铁磁性转变而产生正自发体积磁致伸缩所诱导的体积膨胀来抵消一部分因温度下降、晶格热振动减弱而产生的冷收缩，以减小线膨胀率随温度的变化。据此研制出一种具有较小热膨胀系数且无磁性的定膨胀合金系。其原理如式（1）所示，通常有反铁磁转变的合金在T_N以下温度的线膨胀系数可表示为：

α_t＝α_l+α_e+α_an（1）

式中，α_t为总的即不同机理对热膨胀系数贡献的代数和;α_l与α_e分别点阵振动及电子热运动对膨胀系数的贡献;α_an为反铁磁性转变的正自发体积磁致伸缩对膨胀系数的贡献，它是负值。当｜α_an｜＝α_l+α_e时，α_t＝0;当｜α_an｜α_l+α_e时，α_t为正或负。除在极低温度（如数+K以下）外，α_e可以忽略。所以，α_t＝α_l+α_an这种关系也可由图（1）示意地表达。图1为总的△L/L，点阵振动及反铁磁转变对△L/L的贡献与温度关系的示意图，曲线1为曲线2与3的和。说明在T_N点以下温区，由反铁磁转变引起的体积膨胀抵消一部分由于点阵振动减小所产生的冷收缩，使在此段温度范围（△T）内合金的△L/L随温度的变化减小，即具有较低的膨胀系数（△L/L/△T）。